人造地球卫星教案.doc

1、美景教育课程教案美景教育，描绘美好教育愿景！联系电话：0757-88742137 罗村地址：时代倾城 339 号（靓家居侧后）课题： 人造地球卫星 课型： 一对二同步复习（基础）科目： 物理 备课时间： 2012.7.2 讲师： 邝飞云课程适合学生： 人教版高一学生教学目标1.熟练掌握人造卫星各个物理量的变化规律2.掌握三个宇宙速度及其意义3.掌握同步卫星的特点教学内容 人造地球卫星、同步卫星、宇宙速度、人造卫星的超重和失重重点 人造卫星物理量的变化规律、同步卫星的特征难点 灵活运用已知天体的物理量计算未知天体的物理量、灵活运用万有引力和向心力计天体物理量知识导入：一、人造地球卫星。这里特指绕

2、地球做匀速圆周运动的人造卫星，实际上大多数卫星轨道是椭圆，而中学阶段对做椭圆运动的卫星一般不作定量分析。1、卫星的轨道平面：由于地球卫星做圆周运动的向心力是由万有引力提供的，所以卫星的轨道平面一定过地球球心，球球心一定在卫星的轨道平面内。2、原理：由于卫星绕地球做匀速圆周运动，所以地球对卫星的引力充当卫星所需的向心力，于是有 3、人造卫星运动的物理量：线速度、角速度、周期等：向心加速度 与 r 的平方成反比。向a= 当 r 取其最小值时， 取得最大值。 a 向 max= =g=9.8m/s2向 2GM向a2RGM线速度 v 与 r 的平方根成反比v= 当 h，v当 r 取其最小值地球半径 R

3、时，v 取得最大值。 vmax= = =7.9km/sRGMg角速度 与 r 的三分之三次方成反比= 当 h，3GM当 r 取其最小值地球半径 R 时， 取得最大值。 max= = 1.23103 rad/s3RGMgrTmrmrG222 )(美景教育课程教案美景教育，描绘美好教育愿景！联系电话：0757-88742137 罗村地址：时代倾城 339 号（靓家居侧后）周期 T 与 r 的二分之三次方成正比。T=2 当 h，TGM3当 r 取其最小值地球半径 R 时，T 取得最小值。 Tmin=2 =2 84 minGMR3g卫星的能量：(类似原子模型 )r 增 v 减小(E K 减小=E p

4、增加) ，所以 E 总 增加;需克服引力做功越多，地面上需要的发射速度越大【例 1】 如图 651 所示，a、b、c 是地球大气层外圆形轨道上运动的三颗卫星，a 和 b 的质量相等且小于 c 的质量，则 ( )Ab 所需向心力最小Bb、c 的周期相同且大于 a 的周期Cb、c 的向心加速度大小相等，且大于 a 的向心加速度Db、c 的线速度大小相等，且小于 a 的线速度【例 2】假如一做匀速圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增加到原来的 2 倍，仍做匀速圆周运动，则 ( )A根据公式 v r 可知卫星运动的线速度将增大到原来的 2 倍B根据公式 F 可知卫星所需的向心力将减小到原来的 1/2mv

5、2rC根据公式 F G 可知地球提供的向心力将减小到原来的 1/4Mmr2D根据上述 B 和 C 中给出的公式可知，卫星运行的线速度将减小到原来的22【例 3】两个人造地球卫星，其轨道半径之比 R1R 2=21，求两卫星的（1）a 1a 2？ （2）v 1v 2=？（3） 1 2=？ （4）T 1T 2=？二宇宙速度及其意义1、三个宇宙速度的值分别为第一宇宙速度：物体围绕地球做匀速圆周运动所需要的最小发射速度（又叫最大环绕速度、近地环绕速度）其值为： km/s9.71v第一宇宙速度的计算方法一：地球对卫星的万有引力就是卫星做圆周运动的向心力G =m ，v= 。当 h，v，所以在地球表面附近卫星

6、的速度是它运行2hrmMrvhrGM美景教育课程教案美景教育，描绘美好教育愿景！联系电话：0757-88742137 罗村地址：时代倾城 339 号（靓家居侧后）的最大速度。其大小为 r h（地面附近）时， =7910 3m/s1GMVr方法二：在地面附近物体的重力近似地等于地球对物体的万有引力，重力就是卫星做圆周运动的向心力当 rh 时g hg 所以 v1 =7910 3m/s21vmgrgr第二宇宙速度（脱离速度）：如果卫星的速大于 而小于 ，卫星将做km/s9.7k/s2.1椭圆运动。当卫星的速度等于或大于 的时候，物体就可以挣脱地球引力的束缚，/s2.成为绕太阳运动的人造行星，或飞到其

7、它行星上去，把 叫做第二宇宙速度，/.2v第二宇宙速度是挣脱地球引力束缚的最小发射速度。第三宇宙速度：物体挣脱太阳系而飞向太阳系以外的宇宙空间所需要的最小发射速度，又称逃逸速度，其值为： k/s7.163v应该熟记常识：地球公转周期 1 年， 自转周期 1 天=24 小时=86400s， 地球表面半径6.410 3km 表面重力加速度 g=9.8 m/s2 月球公转周期 30 天2、当发射速度 v 与宇宙速度分别有如下关系时，被发射物体的运动情况将有所不同当 vv 1 时，被发射物体最终仍将落回地面；当 v1vv 2 时，被发射物体将环绕地球运动，成为地球卫星；当 v2vv 3 时，被发射物体

8、将脱离地球束缚，成为环绕太阳运动的“人造行星”；当 vv3 时，被发射物体将从太阳系中逃逸。【例 4】我国发射一颗绕月运行的探月卫星“嫦娥一号” ，设该卫星的轨道是圆形的，且贴近月球表面，已知月球的质量约为地球质量的 1/81，月球的半径约为地球半径的 1/4，地球上的第一宇宙速度约为 7.9 km/s.则该探月卫星绕月运行的速率约为 ( )A0.4 km/s B1.8 km/s C11 km/s D36 km/s【例 5】某人在一星球上以速率 v 竖直上抛一物体，经时间 t 落回手中，已知该星球的半径为 R，求这个星球上的第一宇宙速度三、同步卫星（所有的通迅卫星都为同步卫星）1、同步卫星：“

9、同步” 的含义就是和地球保持相对静止（又叫静止轨道卫星） ，所以其周期等于地球自转周期，既 T=24h，2、特点：非同步人造地球卫星其轨道平面可与地轴有任意夹角，而同步卫星一定位于赤道的正上方，不可能在与赤道平行的其他平面上。地球同步卫星的周期：地球同步卫星的运转周期与地球自转周期相同。同步卫星必位于赤道上方 h 处，且 h 是一定的美景教育课程教案美景教育，描绘美好教育愿景！联系电话：0757-88742137 罗村地址：时代倾城 339 号（靓家居侧后）得 故 rmrMG223GMrkmRrh3580地球同步卫星的线速度：环绕速度由 得rm22srGMv/. 运 行 方 向 一 定 自 西

10、 向 东 运 行 三 颗 同 步 卫 星 作 为 通 信 卫 星 ， 则 可 覆 盖 全 球 【 例 6】 已 知 地 球 的 半 径 为 R 6400 km， 地 球 表 面 附 近 的 重 力 加 速 度 g 取 9.8 m/s2， 若 发 射一 颗 地 球 的 同 步 卫 星 ， 使 它 在 赤 道 上 空 运 转 ， 其 高 度 和 线 速 度 应 为 多 大 ？【 例 7】 地 球 同 步 卫 星 是 指 相 对 于 地 面 不 动 的 人 造 地 球 卫 星 ， 则 下 列 说 法 正 确 的 是 ( )A 它 可 以 在 地 面 上 任 一 点 的 正 上 方 ， 且 离 地 心

11、 的 距 离 可 按 需 要 选 择 不 同 的 值B 它 可 以 在 地 面 上 任 一 点 的 正 上 方 ， 但 离 地 心 的 距 离 是 一 定 的C 它 只 能 在 赤 道 的 正 上 方 ， 但 离 地 心 的 距 离 可 按 需 要 选 择 不 同 的 值D 它 只 能 在 赤 道 的 正 上 方 ， 且 离 地 心 的 距 离 是 一 定 的【 例 8】 已 知 地 球 同 步 卫 星 离 地 面 的 高 度 约 为 地 球 半 径 的 6 倍 若 某 行 星 的 平 均 密 度 为 地 球 平均 密 度 的 一 半 ， 它 的 同 步 卫 星 距 其 表 面 的 高 度 是

12、 其 半 径 的 2.5 倍 ， 则 该 行 星 的 自 转 周 期 约 为A. 6 小 时 B. 12 小 时 C. 24 小 时 D. 36 小 时四、人造卫星中的“超重”和“失重”在发射人造卫星时，卫星尚未进入轨道的加速过程中，由于具有竖直向上的加速度 1（或加速度由竖直向上的分量） ，卫星内的物体处于超重状态。这种情况与加速上升电梯中物体的超重相同。卫星进入轨道后，在正常运行过程中，卫星的加速度等于轨道处的重力加速度，卫星 2中的物体处于完全失重状态。凡是工作原理与重力有关的仪器（如天平、水银气压计等）在卫星中都不能正常适用。凡是与重力有关的实验，在卫星中都无法进行。【例 9】一火箭从

13、地面由静止开始以 5m/s2 的加速度匀加速上升，火箭中有一质量为 1.6kg的科考仪器。在火箭上升到距地面某一高度时科考仪器的视重为 9N，则此时火箭离地球表面的距离为地球半径 R 的（地表面处重力加速度 g=10m/s2） ( ) A.2 倍 B.3 倍 C.4 倍 D.1/2 倍五、人造天体在运动过程中的能量关系当人造天体具有较大的动能时，它将上升到较高的轨道运动，所以在较高轨道上运动的人造天体具有较小的动能。反之，如果人造天体在运动中动能减少，它的轨道半径将减小，在这一过程中，因引力对其做正功，故导致其动能将增大。同样质量的卫星在不同高度轨道上的机械能不同。其中卫星的动能为 ，由于rG

14、MmEK2重力加速度 g 随高度增大而减小，所以重力势能不能再用 Ep=mgh 计算，而要用到公式（以无穷远处引力势能为零，M 为地球质量， m 为卫星质量，r 为卫星轨道半rGmEP径。由于从无穷远向地球移动过程中万有引力做正功，所以系统势能减小，为负。 ）因此机美景教育课程教案美景教育，描绘美好教育愿景！联系电话：0757-88742137 罗村地址：时代倾城 339 号（靓家居侧后）Qv2v3Pv4 v1械能为 。同样质量的卫星，轨道半径越大，即离地面越高，卫星具有的机械rGMmE2能越大，发射越困难。例题精选：【例 10】 宇宙飞船和空间站在同一轨道上运行，若飞船想与前面的空间站对接，

15、飞船为了追上空间站，可以采取的方法是 ( )A飞船加速直到追上空间站，完成对接B飞船从原轨道减速至一个较低轨道，再加速追上空间站完成对接C飞船加速至一个较高轨道再减速追上空间站完成对接D无论飞船如何采取何种措施，均不能与空间站对接【例 11】 “神舟三号” 顺利发射升空后，在离地面 340km 的圆轨道上运行了 108 圈。运行中需要多次进行 “轨道维持” 。所谓 “轨道维持”就是通过控制飞船上发动机的点火时间和推力的大小方向，使飞船能保持在预定轨道上稳定运行。如果不进行轨道维持，由于飞船受轨道上稀薄空气的摩擦阻力，轨道高度会逐渐降低，在这种情况下飞船的动能、重力势能和机械能变化情况将会是A动

16、能、重力势能和机械能都逐渐减小B重力势能逐渐减小，动能逐渐增大，机械能不变C重力势能逐渐增大，动能逐渐减小，机械能不变D重力势能逐渐减小，动能逐渐增大，机械能逐渐减小【例 12】 如图所示，某次发射同步卫星时，先进入一个近地的圆轨道，然后在 P 点点火加速，进入椭圆形转移轨道（该椭圆轨道的近地点为近地圆轨道上的 P，远地点为同步轨道上的 Q） ，到达远地点时再次自动点火加速，进入同步轨道。设卫星在近地圆轨道上运行的速率为 v1，在 P 点短时间加速后的速率为 v2，沿转移轨道刚到达远地点 Q 时的速率为 v3，在 Q 点短时间加速后进入同步轨道后的速率为 v4。试比较 v1、v 2、v 3、v

17、 4 的大小，并用小于号将它们排列起来_。【例 13】发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道 1，然后经点火，使其沿椭圆轨道 2 运行，最后再次点火，将卫星送入同步圆轨道 3。轨道 1、2相切于 Q 点。轨道 2、3 相切于 P 点（如图） ，则当卫星分别在 1，2，3，轨道上正常运行时，以下说法正确的是（ ）A卫星在轨道 3 上的速率大于在轨道上的速率B卫星在轨道 3 上的角速度小于在轨道上的角速度C卫星在轨道 1 上经过 Q 点时的加速度大于它在轨道 2 上经过 Q 点时的加速度D卫星在轨道 2 上经过 P 点时的加速度等于它在轨道 3 上经过 P 点时的加速度【例 14】 欧洲航天

18、局用阿里亚娜火箭发射地球同步卫星。该卫星发射前在赤道附近（北纬 5左右）南美洲的法属圭亚那的库卢基地某个发射场上等待发射时为 1 状态，发射到近地轨道上做匀速圆周运动时为 2 状态，最后通过转移、调试，定点在地球同步轨道上时为3 状态。将下列物理量按从小到大的顺序用不等号排列：这三个状态下卫星的线速度大Q1 23P美景教育课程教案美景教育，描绘美好教育愿景！联系电话：0757-88742137 罗村地址：时代倾城 339 号（靓家居侧后）小_；向心加速度大小_； 周期大小_。【例 15】如 图 所 示 ， 有 A、 B 两 个 行 星 绕 同 一 恒 星 O 做 圆 周 运 动 ， 旋 转 方

19、 向 相 同 ， A 行 星 的周 期 为 T1， B 行 星 的 周 期 为 T2， 在 某 一 时 刻 两 行 星 第 一 次 相 遇 （ 即 两 行 星 距 离 最 近 ）， 则 （ BD ） 。A 经 过 时 间 t=T2+T1， 两 行 星 将 第 二 次 相 遇B 经 过 时 间 ， 两 行 星 将 第 二 次 相 遇12 经 过 时 间 ， 两 行 星 第 一 次 相 距 最 远12TtD 经 过 时 间 ,两 行 星 第 一 次 相 距 最 远1【例 16】A、B 两行星在同一平面内绕同一恒星做匀速圆周运动，运行方向相同，A 的轨道半径为 r1，B 的轨道半径为 r2 ，已知恒

20、星质量为 ，恒星对行星的引力m远大于得星间的引力，两行星的轨道半径 r1r 2。若在某一时刻两行星相距最近，试求：（1）再经过多少时间两行星距离又最近？（2）再经过多少时间两行星距离最远？课堂小测：1、 （05北京西城模拟）星球上的物体脱离星球引力所需要的最小速度称为第二宇宙速度，星球的第二宇宙速度 v2 与第一宇宙速度 v1 的关系是 。已知某星球的半径为 r，它表面的重力加速度为地球21v表面重加速度 g 的 1/6，不计其他星球的影响，则该星球的第二宇宙速度为A、 B、 C、 D、r6r3grr2、在绕地球运转的多种卫星中，有的是通讯卫星，有的是气象卫星，有的是侦察卫星，所有的通讯卫星都

21、是同步卫星，而有些气象（侦察）卫星的运动轨迹则通过南、北两极的正上方，这样的卫星称为极地（间谍）卫星，则同步卫星和极地卫星相比，观察范围较大的是（ ）A、同步卫星 B、极地卫星 C、不论是哪种卫星，轨道半径大的观察范围较大 D、不能确定3、地球同步卫星到地心的距离 r 可由 r3=a2b2c/4 2 求出，已知式中 a 的单位是 m，b 的单位是 s，c 的单美景教育课程教案美景教育，描绘美好教育愿景！联系电话：0757-88742137 罗村地址：时代倾城 339 号（靓家居侧后）位是 m/s2 ，则（ ）a 是地球半径，b 是地球自转角速度，c 是地球表面处的重力加速度；a 是地球半径，b

22、 是同步卫星绕地心运动的周期，c 是同步卫星的加速度；a 是赤道周长，b 是地球自转周期，c 是同步卫星的加速度；a 是地球半径，b 是同步卫星绕地心运动的周期，c 是地球表面处的重力加速度A、 B、 C、 D、4、 （05湖北荆门模拟）下列关于人造地球卫星与宇宙飞船的说法中，正确的是（ ）如果知道人造地球卫星的轨道半径和它的周期，再利用万有引力常量，就可能算出地球的质量；两颗人造地球卫星，只要它们的绕行速率相等，不管它们的质量、形状差别有多大，它们的绕行半径和绕行周期都一定是相同的；原来在某一轨道上沿同一方向绕行的人造卫星一前一后，若要使后一卫星追上前一卫星并发生碰撞，只要将后者的速率增大一

23、些即可；一绕火星飞行的宇宙飞船，宇航员从舱内慢慢地走出，并离开飞船，飞船因质量减小，所受万有引力减小，故飞行程度减小。A、 B、 C、 D、5、如图所示，要使卫星在预定的圆轨道上绕地球运动，一般是先用火箭将卫星送入近地点 A、远地点为 B 的椭圆轨道上，实施变轨后再进入预定圆轨道，已知近地点 A 距地面高度为 h 1，在预定圆轨道上飞行 n 圈所用时间为 t，地球表面重力加速度为 g ，地球半径为 R，求：（1）卫星在近地点 A 的加速度为多大？（2）远地点 B 距地面的高度为多少？作 业 ：1、我国将要发射一颗绕月运行的探月卫星“嫦娥 1 号” ，设该卫星的轨道是圆形的，且贴近月球表面。已知

24、月球的质量约为地球质量的 1/81，月球的半径约为地球半径的 1/4，地球上的第一宇宙速度约为7.9km/s，则该探月卫星绕月运行的速率约为A、0.4km/s B、 1.8km/s C、11km/s D、36km/s2、1990 年 5 月，紫金山天文台将他们发现的第 2752 号小行星命名为吴健雄星，该小行星的半径为16km。若将此小行星和地球均看成质量分布均匀的球体，小行星的密度与地球相同，已知地球半径R=6400km，地球表面重力加速度为 g，这个小行星表面的重力加速度为（ ）A、400g B、1/400 g C、20g D、1/20 g3、把火星和地球绕太阳运行的轨道视为圆周，由火星和

25、地球绕太阳运动的周期之比可求得（ ）A、火星和地球的质量之比 B、火星和太阳的质量之比C、火星和地球到太阳的距离之比 D、火星和地球绕太阳运行速度大小之比4、 （信息给予题）2005 年我国成功地发射了中国历史上的第二艘载人宇宙飞船“神舟”六号，飞船于 2005 年 10 月 12 日 9 时 0 分在中国酒泉卫星发射场用长征 2 号 F 运载火箭发射成功，飞船返回舱于 预定圆轨道美景教育课程教案美景教育，描绘美好教育愿景！联系电话：0757-88742137 罗村地址：时代倾城 339 号（靓家居侧后）2005 年 10 月 17 日 4 时 33 分成功着陆，飞船共飞行 115 小时 32

26、 分钟，绕地球飞行 77 圈，行程约 325 万公里，下列论述正确的是：A、飞船由火箭承载升空过程中，飞船中的宇航员处于超重状态B、飞船返回舱打开减速伞下降的过程中，飞船中的宇航员处于失重状态C、 “神舟”六号飞船绕地球飞行的速度比月球绕地球运行的速度要大D、 “神舟”六号飞船绕地球飞行的周期比月球绕地球运行的周期要大5、一般情况下物理公式都有一定的适用范围，例如质量为 m 的物体放在水平地面上，物体与地面间的动摩擦因数为 ，在水平拉力作用下运动，使物体受到的滑动摩擦力 ，由公式知道滑动摩擦力FgF 与物体运动的速度无关，但物体运动的速度接近下面哪个值时，滑动摩擦力 F 与速度明显有关：A、物

27、体随地球自转的速度 B、7.9Km/s C、7.9m/s D、光速 C=3108m/s6、宇航员在探测某星球时，发现该星球均匀带电，且电性为负，电量为 Q，表面无大气。在一次实验中，宇航员将一带负电 的粉尘置于离该星球表面 H 高处，该粉尘恰处于悬浮状态；宇航员又将()qQ且此粉尘带到距该星球表面 2H 处，无初速释放，则此带电粉尘将（ ）A、向星球球心方向下降 B、背向星球球心方向飞向太空C、仍处于悬浮状态 D、沿星球自转的线速度方向飞向太空7、我国的国土范围在东西方向上大致分布在东经 70到东经 135之间，所以我国发射的通信卫星一般定点在赤道上空 3.6 万公里，东经 100附近，假设某

28、颗通信卫星计划定点在赤道上空东经 104的位置，经测量刚进入轨道时位于赤道上空 3.6 万公里，东经 103处，为了把它调整到 104处，可以短时间启动卫星上的小型喷气发动机调整卫星的高度，改变其周期，使其“漂移”到预定经度后，再短时间启动发动机调整卫星的高度，实现定点，再次调整高度的方向依次是（ ）A、向下、向上 B、向上、向下 C、向上、向上 D、向下、向下8、卫星绕地球做匀速圆周运动，试估算最小周期为多少？9、 （思维拓展题）已知某中子星的质量 m=41030Kg (大约是太阳质量的两倍) ，但它的半径为R=106m，忽略该中子星的自转，引力恒量 G=6.6710-11Nm2/Kg 2，

29、结果保留两位有效数字，由经典力学求：（1）物体在此中子星表面自由下落 2 秒钟后的速度；（2）此中子星的第一宇宙速度；（3）你对由经典力学得出的上面两个结果有何感想？10、神奇的黑洞是近代引力理论所预言的一种特殊天体，探寻黑洞的方案之一是观测双星系统的运动规律。天文学家观测河外星系大麦哲伦云时，发现了 LMGX-3 双星系统，它由可见星 A 和不可见的暗星 B 构成，两星视为质点，不考虑其他天体的影响，A、B 围绕两者连线上的 O 点做匀速圆周运动，它们之间的距离保持不变，如图所示，引力常量为 G，由观测能够得到可见星 A 的速率 v 和运行周期 T。（1）可见星 A 所受暗星 B 的引力 F

30、A 可等效力位于 O 点处质量为 m/的星体（视为质点）对它的引力，设 A 和 B 的质量分别为 m1 和 m2，试求 m/（用 m1 和 m2 表示） ；（2）求暗星 B 的质量 m2 与可见星 A 的速率 v、运行周期 T 和质量 m1 之间的关系。O BA 美景教育课程教案美景教育，描绘美好教育愿景！联系电话：0757-88742137 罗村地址：时代倾城 339 号（靓家居侧后）（3）恒星演化到末期，如果其质量大于太阳质量 m3 的 2 倍，它将有可能成为黑洞，若可见星 A 的速率 v=2.7105m /s，运行周期 T=4.710 4s，质量 m1=6m3，试通过估算来判断暗星 B 有可能是黑洞吗？（G=6.6710 -11Nm2/Kg2，m 3=2.01030Kg